基于主成分分析的溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)一致性分析

李軍求，張菊榮，羅 軍，王小強(qiáng)

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.河南信息工程學(xué)校，河南 鄭州 450000）

基于主成分分析的溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)一致性分析

李軍求1，張菊榮2，羅 軍1，王小強(qiáng)1

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.河南信息工程學(xué)校，河南 鄭州 450000）

針對溫度對閃存（Flash）存儲(chǔ)器電參數(shù)的一致性影響特性尚不清晰、一致性分析評(píng)價(jià)方法不明確等問題，提出采用主成分分析法對Flash存儲(chǔ)器中的不同電參數(shù)進(jìn)行一致性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度會(huì)對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)漂移產(chǎn)生影響，隨著溫度的升高或降低，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器電參數(shù)的主成分均值與方差具有相反的變化趨勢?；谥鞒煞址治龇镕lash存儲(chǔ)器的電參數(shù)一致性評(píng)價(jià)提供一種手段，溫度對其電參數(shù)一致性的影響特性對保障產(chǎn)品的質(zhì)量及改進(jìn)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

閃存存儲(chǔ)器；主成分分析；電參數(shù)；一致性

0 引 言

Flash存儲(chǔ)器由于具有非易失性、固態(tài)性、體積小、抗震動(dòng)、高性能、低功耗、便攜、可靠等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于軍民用產(chǎn)品，如宇航、衛(wèi)星、移動(dòng)通信和消費(fèi)電子等領(lǐng)域[1]。近年來，隨著容量的提高和價(jià)格的降低，大量的市場需求促使Flash存儲(chǔ)器獲得了快速發(fā)展[2]。在Flash存儲(chǔ)器的批量生產(chǎn)應(yīng)用中，電參數(shù)的一致性對保證用戶儲(chǔ)存系統(tǒng)的質(zhì)量可靠性具有重要作用。當(dāng)前，針對Flash存儲(chǔ)器的測試主要包含電參數(shù)測試和耐久（擦寫次數(shù)）測試[3]，并發(fā)展了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如GJB 548B——2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中提到的耐久壽命試驗(yàn)方法[4]以及固態(tài)電子技術(shù)協(xié)會(huì)（joint electronic engineering council，JEDEC）制定的JESD22-A117C——2011《電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）編程/擦除耐久和數(shù)據(jù)保持應(yīng)力試驗(yàn)》[5]等。

由于微電子工藝尺寸的縮小、Flash存儲(chǔ)器容量的增大及集成度的提升，溫度對參數(shù)一致性的影響越來越突出。如何對參數(shù)一致性進(jìn)行檢測、分析及評(píng)價(jià)日益成為Flash存儲(chǔ)器質(zhì)量保障中的迫切需求。由于測試效率高等特點(diǎn)，基于自動(dòng)測試系統(tǒng)（ATE）的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試獲得了快速發(fā)展。然而在基于ATE的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試中，用戶及檢測機(jī)構(gòu)側(cè)重于對測量參數(shù)的合格性判定，而缺乏對其一致性分析，不利于對溫度的影響程度進(jìn)行定量的分析。由于溫度會(huì)對微電子器件的熱噪聲、電子/空穴振動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因而如何對這種影響進(jìn)行定量的分析將有助于對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)進(jìn)行合理的測試評(píng)價(jià)，對測試流程進(jìn)行合理的規(guī)劃以及對測試方法進(jìn)行改進(jìn)，以便提升Flash存儲(chǔ)器的質(zhì)量一致性與可靠性。

主成分分析（principle component analysis，PCA）是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法，通過確定原變量的少數(shù)幾個(gè)線性組合來解釋隨機(jī)向量的方差結(jié)構(gòu)，進(jìn)而建立一種從高維空間到低維空間的映射[6]。主成分分析可以在保證數(shù)據(jù)信息損失最少的前提下，經(jīng)線性變換并舍棄小部分信息，以少數(shù)新的綜合變量取代原來的多維變量。數(shù)據(jù)的信息主要反映在數(shù)據(jù)的方差上，數(shù)據(jù)方差越大則其所含的信息就越多。傳統(tǒng)上，主成分分析主要應(yīng)用于多變量統(tǒng)計(jì)過程控制評(píng)價(jià)[7]、質(zhì)量控制分析[8]、過程監(jiān)測[9]及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]等。

針對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)一致性分析手段缺乏，溫度對電參數(shù)的影響特性不清晰等問題，本文在傳統(tǒng)ATE測試的基礎(chǔ)上開展溫度對電參數(shù)一致性影響分析。通過引入主成分分析方法對Flash存儲(chǔ)器的多參數(shù)進(jìn)行了一致性分析，綜合采用均值與方差作為評(píng)價(jià)要素對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)隨溫度的漂移進(jìn)行了探討。

1 Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試

Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)種類多，常用的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)包含有直流參數(shù)及交流參數(shù)，其電參數(shù)的測試方法已有成熟的標(biāo)準(zhǔn)并形成了通用及專用的測試平臺(tái)。在Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)測試中，由于地址和數(shù)據(jù)是以總線的形式存在，包含了多個(gè)地址線和數(shù)據(jù)線，而且其相互之間互不影響，可以把其每根地址或數(shù)據(jù)線獨(dú)立出來進(jìn)行分析，因此其在Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)漂移影響評(píng)價(jià)及質(zhì)量一致性評(píng)價(jià)中適合于作為被測對象，并且具有代表性，能夠表征Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)變化規(guī)律。

為了驗(yàn)證不同溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)漂移的影響，采用典型的三溫（常溫、高溫和低溫）對Flash存儲(chǔ)器常用數(shù)據(jù)及地址電參數(shù)進(jìn)行測試，獲取測量數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析?；贏TE機(jī)臺(tái)的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試板如圖1所示，圖中采用了子母板的測試架構(gòu)，母板與ATE測試機(jī)臺(tái)（如93kΩ）相連接，可以滿足Flash存儲(chǔ)器所有引腳的測試通道數(shù)需求，子板與母板通過并排插針連接，在子板上設(shè)置了一個(gè)并列直插封裝的測試夾具用于與Flash存儲(chǔ)器的電氣連接。

圖1 Flash存儲(chǔ)器連接ATE測試機(jī)臺(tái)的測試板

圖2 Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試流程

Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試流程如圖2所示，包含制作ATE測試板、搭建ATE測試平臺(tái)、編寫ATE測試向量、不同溫度條件下的參數(shù)測試及數(shù)據(jù)的處理等過程。在實(shí)際測試過程中，只需要根據(jù)Flash存儲(chǔ)器的封裝要求制作相應(yīng)的測試子板即可，測試母板可以采用連接ATE機(jī)臺(tái)的通用母板。通過采用無需更換母板的測試方式提高了Flash存儲(chǔ)器的測試效率。在三溫電參數(shù)的測試過程中，采用溫箱進(jìn)行加溫或者降溫處理，為了保障測試溫度的精度條件，需要盡快完成器件的測試，縮短器件暴露在室溫的時(shí)間。

2 基于主成分分析的Flash存儲(chǔ)器多變量電參數(shù)處理方法

主成分分析理論[11]描述如下：

設(shè)某個(gè)樣本數(shù)據(jù)空間共有p個(gè)變量，則原始向量可以表示為

其中 Xp=（x1p，x2p，…，xnp）T，n 為每個(gè)變量中樣品的個(gè)數(shù)（n＞p）。對X進(jìn)行線性變換形成新的綜合變量Y，即有：

其中需滿足 μ2k1+μ2k1+…+μ2k1=1，k=1，2，…，p。 由于滿足上述式（2）的變換有很多種，當(dāng)使系數(shù) μij（i，j=1，2，…，p）滿足如下兩個(gè)條件，則新的綜合變量Y即為原始向量X的主成分分析數(shù)據(jù)。

條件 1）：Yi與 Yj不相關(guān)（i≠j；i，j=1，2，…，p）。

條件 2）：Y1是 X1，X2，…，Xp一切滿足式（2）的線性組合中方差最大者；Y2是與Y1不相關(guān)的 X1，X2，…，Xp所有線性組合中方差次大者；以此類推，Yp是與 Y1，Y2，…，Yp都不相關(guān)的 X1，X2，…，Xp所有線性組合中的方差最小者。

通過上述式（2）、條件1）與條件2）決定的綜合變量 Y1，Y2，…，Yp分別為原始向量 X 的第 1、第 2、…、第p個(gè)主成分，其中各個(gè)綜合變量在總方差中所占比重依次遞減。

傳統(tǒng)上針對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的測試由于只考慮到測試的電參數(shù)是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)，因而忽略了溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的影響，不利于對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)一致性進(jìn)行精確的分析和評(píng)價(jià)。事實(shí)上，由于Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)種類眾多，即使是地址線和數(shù)據(jù)線也包含了不同電平的測試條件，因此傳統(tǒng)基于單變量的電參數(shù)一致性分析及評(píng)價(jià)由于電參數(shù)種類繁多，需要對各個(gè)變量進(jìn)行單獨(dú)分析，而且由于Flash存儲(chǔ)器中各個(gè)電參數(shù)表征了其不同的特性，因而難以形成一個(gè)整體性的評(píng)價(jià)。

針對Flash存儲(chǔ)器包含眾多種類的電參數(shù)，提出采用主成分分析的方法對其電參數(shù)進(jìn)行降維處理，然后基于均值與方差對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)漂移進(jìn)行分析，研究溫度對其電參數(shù)漂移的影響。該方法可以對Flash存儲(chǔ)器不同電參數(shù)受溫度影響進(jìn)行一個(gè)綜合的分析與評(píng)價(jià)，拓展了主成分分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域。

設(shè)Iijk（m）為Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的電流測量值，其中 i∈{1，2}表示 Flash 存儲(chǔ)器的地址參數(shù)（i=1）和數(shù)據(jù)參數(shù)（i=2），j∈{1，2}表示 Flash 存儲(chǔ)器的高電平（j=1）和低電平（j=2）測試條件，k∈{1，2，3}表示 Flash存儲(chǔ)器在低溫（k=1）、常溫（k=2）和高溫（k=3）下的電參數(shù)測試條件，m∈{1，2，…，N}表示 Flash 存儲(chǔ)器電參數(shù)測量樣本?；谥鞒煞址治龅腇lash存儲(chǔ)器電參數(shù)降維處理方法步驟如下：

1）對 Iijk（m）進(jìn)行歸一化得到I~ijk（m）。

2）基于I~ij1（m）提取Flash存儲(chǔ)器低溫測試條件下的主成分系數(shù)（4×4的矩陣系數(shù)）。

3）基于I~ij2（m）提取Flash存儲(chǔ)器常溫測試條件下的主成分系數(shù)（4×4的矩陣系數(shù)）。

4）基于I~ij3（m）提取Flash存儲(chǔ)器高溫測試條件下的主成分系數(shù)（4×4的矩陣系數(shù)）。

5）基于各主成分系數(shù)和I~ijk（m）計(jì)算各電參數(shù)降維之后的第一主成分和第二主成分，并分析其均值與方差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了分析溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的影響，針對Flash存儲(chǔ)器的輸出低電平地址電流、輸出高電平地址電流、輸出低電平數(shù)據(jù)電流和輸出高電平數(shù)據(jù)電流進(jìn)行了三溫對比實(shí)驗(yàn)（電流測量單位為μA）。實(shí)驗(yàn)選取了10個(gè)樣品，每個(gè)樣品包含有17個(gè)地址線和8個(gè)數(shù)據(jù)線，從中選取了8個(gè)地址線和8個(gè)數(shù)據(jù)線進(jìn)行對比試驗(yàn)。由于各個(gè)地址線和各個(gè)數(shù)據(jù)線之間是相互獨(dú)立進(jìn)行測試的，從評(píng)價(jià)的角度來看可以把它們認(rèn)為是獨(dú)立不相關(guān)變量，因此可以把每個(gè)地址線和每個(gè)數(shù)據(jù)線的參數(shù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獨(dú)立和分析，構(gòu)建80個(gè)地址線和80個(gè)數(shù)據(jù)線參數(shù)樣本數(shù)據(jù)。

Flash存儲(chǔ)器歸一化的電流測試數(shù)據(jù)如圖3和圖4所示，圖中分別列舉了低溫、常溫和高溫下歸一化的輸出高、低電平地址線電流系數(shù)與輸出高、低電平數(shù)據(jù)線電流系數(shù)。采用主成分分析方法對圖3及圖4中的Flash存儲(chǔ)器歸一化電參數(shù)進(jìn)行降維處理，獲得不同溫度條件下的第一主成分分析數(shù)據(jù)及第二主成分分析數(shù)據(jù)，如圖5所示。對圖5中的主成分分析數(shù)據(jù)進(jìn)行均值和方差的計(jì)算，分別獲得第一主成分和第二主成分的均值和方差如圖6所示。由圖3～圖5可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度條件下的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)具有明顯的波動(dòng)，這說明不同的溫度會(huì)對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)測試結(jié)果造成影響，雖然這種影響還沒有達(dá)到?jīng)Q定使其電參數(shù)是否達(dá)標(biāo)的程度，但是其在一定程度上可以反映出相關(guān)電參數(shù)隨溫度的波動(dòng)程度。

從圖6中不同溫度條件下的均值變化趨勢可以看出，第一主成分?jǐn)?shù)據(jù)在高溫條件下均值偏移最大，其在常溫條件下均值偏移最小，同時(shí)第一主成分不同溫度條件下的均值偏移方向相同，都為負(fù)值。然而，第二主成分?jǐn)?shù)據(jù)與第一主成分具有不同的表現(xiàn)，其在高溫條件下均值偏移最大且為正，低溫及常溫條件下其均值都為負(fù)值?；诘谝恢鞒煞趾偷诙鞒煞植煌瑴囟葪l件下的均值數(shù)據(jù)分析，可以表明高溫條件下Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)具有最大的均值偏移，而在常溫條件下其電參數(shù)均值偏移是最小的，這說明該Flash存儲(chǔ)器在常溫測試條件下具有最好的電參數(shù)性能。

圖3 Flash存儲(chǔ)器歸一化地址線電流系數(shù)

圖4 Flash存儲(chǔ)器歸一化數(shù)據(jù)線電流系數(shù)

圖5 基于PCA的不同溫度條件下第一主成分與第二主成分分析系數(shù)

圖6 基于PCA的不同溫度條件下第一及第二主成分?jǐn)?shù)據(jù)均值與方差比較

從不同溫度條件下的方差變化趨勢可以看出，在常溫測試條件下第一主成分和第二主成分?jǐn)?shù)據(jù)的方差是最大的，這說明在常溫測試條件下Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)測量值波動(dòng)最大，而在低溫測試條件下Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)波動(dòng)范圍最小。同時(shí)方差數(shù)據(jù)表明第一主成分在低溫條件下相比第二主成分及其他溫度條件具有最好的數(shù)據(jù)一致性特性，也表明Flash存儲(chǔ)器在該低溫條件下具有最好的電參數(shù)一致性特性。

圖6中的均值比較結(jié)果表明高溫和低溫都會(huì)造成Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)均值發(fā)生漂移，并且高溫測試條件下的均值漂移更大。然而，在常溫測試條件下Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的波動(dòng)范圍更大（方差變大），這說明此時(shí)其不同電參數(shù)的一致性變差。通過上述的均值和方差分析可以發(fā)現(xiàn)，不同溫度測試條件下的Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)均值與方差具有方向相反的性能表現(xiàn)，其表明了Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)在常溫測試條件下相比低溫和高溫測試條件具有最小的均值偏移程度，但卻具有最大的方差波動(dòng)范圍。這種性質(zhì)可以用于指導(dǎo)Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)測試條件及標(biāo)稱值范圍的設(shè)定以及幫助Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)一致性的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

4 結(jié)束語

Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的一致性是批量生產(chǎn)的Flash存儲(chǔ)器質(zhì)量一致性的重要保障。隨著微電子技術(shù)工藝的進(jìn)步，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的集成規(guī)模越來越大，溫度對Flash存儲(chǔ)器的性能影響也日益突出。針對溫度對Flash存儲(chǔ)器電參數(shù)的影響特性不清晰，相關(guān)的一致性評(píng)價(jià)手段仍不夠明確等需求，提出基于PCA的分析方法來對Flash存儲(chǔ)器中的多變量電參數(shù)進(jìn)行降維處理和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溫度會(huì)對Flash存儲(chǔ)器的電參數(shù)漂移產(chǎn)生影響，隨著溫度的升高或降低，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器電參數(shù)的主成分均值與方差具有相反的變化趨勢?；谥鞒煞址治龅姆椒镕lash存儲(chǔ)器的電參數(shù)一致性評(píng)價(jià)提供了一種手段，溫度對其電參數(shù)一致性的影響特性對保障產(chǎn)品的質(zhì)量及改進(jìn)設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

[1]潘立陽，朱鈞.Flash存儲(chǔ)器技術(shù)與發(fā)展[J].微電子學(xué)，2002，32（1）：1-10.

[2]盧煙勛，冀力強(qiáng).閃速存儲(chǔ)器的發(fā)展現(xiàn)狀及其可靠性問題[J].微處理機(jī)，1997（3）：1-4.

[3]羅軍，王小強(qiáng)，蔡志剛，等.Flash存儲(chǔ)器并行耐久測試方法[J].中國測試，2016，42（5）：24-27.

[4]微電子器件試驗(yàn)方法和程序：GJB 5488—2005[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5]Electrically erasable programmable ROM （EEPROM）program/erase endurance and data retention stress test：JESD22-A117C[EB/OL].（2011-10-01）[2016-08-18].http：∥www.jedec.org/standards-documents/results/JESD22-A117.

[6]于化龍.主成分分析應(yīng)用研究綜述[J].經(jīng)營管理者，2013（2）：9-10.

[7]肖枝洪，冉小華.運(yùn)用主成分分析法的過程控制和診斷[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2014，28（1）：96-101.

[8]杜福洲，唐曉青.基于PCA的多元質(zhì)量控制與診斷方法研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2006，28（8）：10-13.

[9]陸寧云，楊英華，王福利.基于迭代主成分分析的過程監(jiān)測方法的研究與實(shí)現(xiàn)[J].控制與決策，2002，17（2）：215-218.

[10]盛飛.主成分分析法在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2005，25（4）：362-368.

[11]張鵬.基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2004.

（編輯：李妮）

Electrical parameter conformity analysis on temperature based on principle component analysis for Flash memory

LI Junqiu1， ZHANG Jurong2， LUO Jun1， WANG Xiaoqiang1
（1.The 5th Eletronics Research Institute of the Ministry of Industry and Information Technology，Guangzhou 510610，China；2.He’nan Information Engineering College，Zhengzhou 450000，China）

Aiming to the problem of the temperature affects the conformity of electrical parameter is unclear and there is still no method for evaluating conformity.Principle component analysis （PCA）hasbeen proposed toinvestigate the conformity ofelectricalparametersin Flash memories.Experiment results show that temperature causes the drift of electrical parameter，and the mean and variance of PCA data has inverse changing direction.The proposed PCA applies a good approach for conformity of electrical parameter evaluation in Flash memories，and it brings in a bright future of high quality and reliable design and production of Flash memories.

Flash memory； principle component analysis； electrical parameter； conformity

A

1674-5124（2017）04-0135-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.028

2016-08-18；

2016-10-25

李軍求（1982-），男，廣西賀州市人，工程師，碩士，主要從事元器件檢測等相關(guān)工作。